海洋采油平台天然气泄漏扩散实验与数值模拟分析

郭 敏,杨冬平,齐光峰,李皓玥,李亚宁,朱 渊

(1.中国石化胜利油田分公司技术检测中心,山东东营 257000 2.中石化(山东)检测评价研究有限公司,山东东营 257000 3.中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

0 前言

随着人类开发海洋油气资源的不断深入,海洋平台可燃气体泄漏引发的危害越来越受到人们的关注。海洋平台是油气开采的关键基础设施,在油气开采过程中,天然气泄漏后易在平台聚集,存在引发火灾、爆炸事故的重大安全风险。2021年4月5日,某公司平台发生浅层气逸出泄漏着火事故,导致99人撤离,3人失踪。因此,探究海洋平台天然气泄漏后的扩散规律,对于开展海洋平台火灾爆炸安全风险量化评估及风险防控具有重要的指导意义。

目前,陆冰,等[1]、万留杰,等[2]主要运用计算流体力学(CFD)研究天然气泄漏问题;SAVVIDES C,等[3]基于CFD对海洋平台上部模块高压天然气的扩散规律进行了研究,并根据实验验证了CFD方法的可靠性;刘康,等[4]建立了FPSO关键系统泄漏天然气扩散评估模型,分析了天然气的扩散特点及危险区域的分布,并从工程的角度提出了相应措施。现有的海洋平台天然气泄漏扩散主要采用数值分析方法进行研究,缺乏有效的实验验证分析。本文采用实验与数值模拟相结合的方法,研究了平台天然气泄漏扩散规律,为海洋平台油气泄漏安全风险防控提供了理论和数据支撑。

1 海洋平台泄漏扩散实验

1.1 实验原理与实验装置

1.1.1 实验原理

实验基于气体泄漏Froude数相似原理搭建:①基于中国石化胜利油田典型海洋平台,设计、加工缩比为1∶22的实验平台;②基于相似原理,对实际气体泄漏的泄漏速率、风速等事故场景进行比例缩小,将原型平台的泄漏条件转化为可用于实际实验的参数;③通过在实验平台释放甲烷表征天然气泄漏,分析甲烷泄漏后的扩散规律。

Froude数相似公式如公式(1)～公式(2):

(1)

Frp=Frm

(2)

式中:u——流速;

g——重力加速度;

L——特征长度;

p、m——代表原型和实验模型。

(3)

1.1.2 实验装置

该实验平台是目前国内较大的海上采油平台气体泄漏扩散实验平台模型,可以实现不同场景和环境条件下气体泄漏规律实验,整体装置如图1所示。

图1 气体泄漏实验装置

实验平台主体尺寸为2.3 m×2.1 m×2.8 m,处于室内无风环境下。装置设备主要包括:钢瓶,用于储存实验用甲烷;质量流速控制仪,控制释放钢瓶内的甲烷以模拟泄漏事故,品牌为顺来达,范围0～5 L/min,0～20 L/min,精度0.2%F.S.;自制可调速风机,调整风机风量和位置以模拟环境条件,稳定风速范围0～5 m/s,精度0.2%F.S.;气体浓度采集仪,采集扩散甲烷浓度分布数据,品牌为元特科技,范围0～100×10-6,0～1 000×10-6,精度0.1%F.S.。

1.2 实验内容

1.2.1 典型工况

根据平台风险辨识结果,选取储罐、天然气处理系统、三相分离器作为典型气体泄漏的事故源,操作压力选取常压、280 kPa、300 kPa这3种工况。根据SY/T 6714—2008《基于风险检验的基础方法》的推荐,选择中孔泄漏,代表尺寸为25.4 mm,再根据AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》的推荐计算代表泄漏速率。平台所在埕岛海区地处我国华北沿海,全年平均风速5.3 m/s,6级以上大风达137天,8级以上大风偶有发生,根据GB/T 28591—2012《风力等级》选取5.3 m/s平均风速,6级风12.5 m/s中风速,以及8级风19.0 m/s高风速作为代表风速,并以平台左右舷、船艏艉设置来风风向。

由此构建3类设备在不同压力、风速、风向(左舷、右舷、船艏、船艉4种来风风向)下的中孔泄漏事故场景,利用Froude数相似公式(1)～(3)计算实验风速、泄漏速率和面积,实验工况见表1。

表1 气体泄漏实验工况

1.2.2 实验步骤

本次实验分为烟雾扩散示踪实验和甲烷气体示踪实验,具体实验步骤如下。

a) 预设监测点。在实验开始之前利用烟雾发生器进行烟雾扩散示踪实验,针对其中3～4个工况,确定气体泄漏后在此环境下最可能的扩散路径,为采集气体浓度的位置提供参考。

b) 设置环境条件。通过调节风机的位置来实现左右舷、船艏艉方向来风;通过调节风机出风量实现1.13,2.67,4.05 m/s风速。

c) 释放甲烷气体。在调节好风机后,从钢瓶释放甲烷,通过质量流速控制仪控制泄漏速率,以代表不同设备泄漏。

d) 采集气体浓度。在实验时,每隔10 s在预设的监测点处用气体浓度采集仪采集该处的气体浓度数据。实验在5 min后停止,关闭钢瓶阀门,关闭风机,数据采集工作停止,一次实验结束。

1.3 实验结果

实验共进行36组工况,得到1 080组浓度数据,获得了储罐、天然气处理系统及三相分离器3种设备在不同工况下的泄漏扩散过程,部分实验数据见表2。

表2 甲烷泄漏气体浓度实验数据(部分) ×10-6

2 平台泄漏扩散数值模拟

以FLACS作为模拟工具,将甲烷视为可压缩流体,其射流及扩散过程遵循连续方程、质量守恒、动量守恒以及能量守恒,并基于标准k-ε模型雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,引入雷诺应力封闭模式求解。

2.1 数值模拟模型

依据实验平台模型,采用FLACS软件完成结构尺寸1∶1三维数值建模,网格划分为10 m×9 m×9 m的计算域,在确保计算精度的前提下,为提高计算效率,将网格计算区域分为核心区域和拓展区域[5]。核心区域包括储罐、天然气处理系统、三相分离器等设备,其他区域为拓展区域,数值模型如图2所示。

图2 海洋平台数值模型

2.2 数值模拟结果

依据气体泄漏实验工况,开展数值模拟,模拟泄漏时间为300 s,每隔10 s测得一组浓度数据。以4.05 m/s风速为例,部分模拟结果如图3所示。

图3 4.05 m/s风速部分模拟结果

共获得1 080组数据,部分模拟数据见表3。

表3 甲烷泄漏气体浓度模拟数据(部分) ×10-6

3 数值模拟模型验证与分析

3.1 浓度误差分析与验证

将实验和模拟数据进行对比,误差δ计算公式如下:

(4)

式中:xn——数值模拟数据,×10-6;

xe——实验数据,×10-6。

对得到的δ依据设备和风速整理并取平均后,见表4。

表4 浓度平均误差

从表4中可以看出,在不同风速下,每个设备泄漏扩散模拟的平均误差在7.97%～9.68%之间,经计算,所有计算数据的总平均误差在8.70%。图4为误差数据在时间上的分布情况,在各个时间位置,误差都集中分布在平均误差上下,体现了较好的一致性。综合平均误差统计和误差在时间上的分布情况,认为数值模型有效地实现了对实验过程的模拟。

图4 扩散浓度模拟误差分布

3.2 扩散规律分析

风速会极大地影响甲烷泄漏扩散的浓度,随着风速增加,平台同位置泄漏浓度显著降低。以储罐为泄漏源、右舷为监测点,根据实验监测结果,当风速分别为1.13,2.67,4.05 m/s时,泄漏60 s,测点浓度平均值从60.1×10-6降至53.2×10-6、37.9×10-6,详见表2右舷风向实验数据。

甲烷主要沿下风向扩散,且受空间开阔程度影响显著,在开阔区域,泄漏甲烷扩散快,危害程度低;在设备密集区,甲烷扩散易被阻滞,危害程度明显增加。如图3所示,根据数值模拟结果,上层甲板空间开阔,储罐泄漏后,甲烷受风向控制,能够快速远离平台,扩散面呈现窄而狭长状态;而位于平台下层的三相分离器,设备密集,阻滞了环境风的运动,造成甲烷聚集,覆盖了整层甲板,形成宽阔的扩散面,危害较大。

4 结论

本文搭建了基于实际海洋平台结构的缩比例实验模型,完成了不同设备、不同环境条件下海洋采油平台甲烷泄漏扩散实验,获取了平台不同位置气体泄漏扩散过程的浓度数据。同时,采用FLACS软件进行了数值模拟,开展了对比分析,得到了泄漏扩散规律。

a) 建立了海洋采油平台设备泄漏数值模型,通过与实验数据的对比,数值模拟结果总平均误差在8.70%,验证了模型预测的准确性,可用于平台泄漏扩散的安全风险评估。

b) 根据实验数据和数值模拟,泄漏甲烷受风速影响较大,主要向下风向扩散,且受平台内部空间开阔程度影响明显,通过改变风速、风向及平台空间布局等措施,可降低平台气体泄漏危害程度。